7 PWM控制技术

2013-7-2 电力电子技术
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•
防直通的死区时间
1. 同一相上下两臂的驱动信号互补，为防止上下臂直通 而造成短路，留一小段上下臂都施加关断信号的死区 时间 死区时间的长短主要由开关器件的关断时间决定 死区时间会给输出的PWM波带来影响，使其稍稍偏离 正弦波
2. 3.
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(1 2 cos 5a1 2 cos 5a 2 2 cos 5a 3 ) 0 (1 2 cos 7a1 2 cos 7a 2 2 cos 7a 3 ) 0
给定a1，解方程可得a1、a2和a3。a1变，a1、a2和a3也相应 改变
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• 本节内容构成了本章的主体
• PWM逆变电路也可分为电压型和电流型两种，
目前实用的PWM逆变电路几乎都是电压型电路
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7.2 PWM逆变电路及其控制方法
7.2.1 计算法和调制法
计算法
•根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确 计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变 电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形 •本法较繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相 位变化时，结果都要变化
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特定谐波消去法
(Selected Harmonic Elimination PWM—SHEPWM) – 这是计算法中一种较有代表性的方法，如图7-9
– 输出电压半周期内，器件通、断各3次（不包括0 和π），共6个开关时刻可控
为减少谐波并简化控制，要尽量使波形对称
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图6-7
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控制规律：
ur U u O u UN'
Ud 2
ur V
uc
ur W
wt
Ud 2
+
V1 C U
VD1 V3 V
VD 3 V5
VD 5 N VD 2
O

u VN'
Ud 2 Ud 2 Ud 2
Ud 2
wt
N'
wt
O
uWN' O u UV Ud O -Ud u UN O
wt
• 根据面积等效原理，正弦波还可等效为下图中的 PWM波，而且这种方式在实际应用中更为广泛。
Ud O
-
wt
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Ud
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等幅PWM波
输入电源是恒定直流
第5章的直流斩波电路 7.2节的PWM逆变电路 7.4节的PWM整流电路
Ud E O
- Ud
不等幅PWM波
在使用的各种逆变电路都采用了PWM技术，因此，
逆变电路有完整地认识。
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7.1 PWM控制的基本原理
理论基础
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有 惯性的环节上时，其效果基本相同。
冲量指窄脉冲的面积
f (t) f (t)
指环节的输出响应波形基本相同
f (t) f学院自动化系
调制法
•把希望输出的波形作调制信号，通过对此信号波的调制 得到所期望的PWM波
•采用等腰三角波或锯齿波作为载波
等腰三角波应用最多，因其任一点的水平宽度和高度成 线性关系且左右对称
•载波与平缓变化的调制信号相交，在交点时刻控制器件通断， 就得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求
•当ur >uc时，给V1和V4导通信号，给V2和V3关断信号
•如io>0，V1和V4通，如io<0，VD1和VD4通， uo=Ud •当ur<uc时，给V2和V3导通信号，给V1和V4关断信号 •如io<0，V2和V3通，如io>0，VD2和VD3通，uo=-Ud
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20V
直流波形 正弦波形
–等效成其他所需波形，如:
基于“面积等效原理”
0V
-20V
0s
5ms
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
所需波形
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等效的PWM波
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• 目前中小功率的逆变电路几乎都采用PWM技术
• 逆变电路是PWM控制技术最为重要的应用场合
图7-4 单相桥式PWM 逆变电路
工作时V1和V2通断互补，V3和V4通断也互补
控制规律：以u 正半周为例，V 通，V 断，V 和V 交替通断 o 1 2 3 4
负半周，让V2保持通，V1 4 续流，u o为负，实 u负载电流比电压滞后，在电压正半周，电流有一 负载电流为负的区间， V和VD 仍导通，i=04交替通 和V Vo4总可得到Ud和零两种电平 保持断，V3和V =0 d uo 关断V3开通后，io从V3 和V4导通时，uo等于U 负载电流为正的区间，V11 1和VD3续流，uo 1 o V4关断时，负载电流通过V 断，u 从VD Ud和零两种电平 际上ioo可得-1和VD4流过，仍有uo=Ud 段区间为正，一段区间为负
输入电源是交流或 不是恒定的直流
6.1节的斩控式交流 调压电路 6.4节的矩阵式变频电 路
u0
u
t
wt
o
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ωt
基于面积等效原理进行控制，本质是相同的
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• PWM电流波
–电流型逆变电路进行PWM控制，得到的就是PWM电流波
• PWM波形可等效的各种波形
–直流斩波电路 –SPWM波
a2 a3

2
wt
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消去两种特定频率的谐波 在三相对称电路的线电压中，相电压所含的3次谐波相互抵 消，
可考虑消去5次和7次谐波，得如下联立方程：
a1 a5 2U d

(1 2 cosa1 2 cosa 2 2 cosa 3 )
2U d 5 2U d a7 7
a3

Ud sin nw t )dw t 2
2U d (1 2 cos na 1 2 cos na 2 2 cos na 3 ) n
式中n=1,3,5,…
确定a1的值，再令两个不同的an=0，就可建三个方程，求 uo 得a1、a2和a3 Ud
O a 1 -Ud
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一般在输出电压半周期内，器件通、断各k次，考虑到 PWM波四分之一周期对称，k个开关时刻可控，除用一 个自由度控制基波幅值外，可消去k－1个频率的特定谐 波 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在6.3节介 绍
Ud 2
+
C
V4 VD4 V VD6 V W 2 6
wt
wt
2U d 3 Ud 3
wt
图6-8
u rU u rV u rW uc
调制 电路
图7-8 三相桥式PWM逆变电路波形 图7-7 三相桥式PWM型逆变电路 图6-7
当给V1(V4)加导通信号时，可能是V1(V4UV=U 当urU<uVN’和uWN’VN’得出，当1和6通时，u)导通， >u uUN’、u c时，给V4导通信号，给V1关断信号， uUV波形可由uUN’-u 的PWM波形只有±Ud/2两种 负载相电压PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud d， 输出线电压PWM波由±Ud和0三种电平构成 1 4 也可能是VD1(VD4 d，当1和3或4和6通时，uUV=0 uUN’=-Ud/2 =U 当3和4通时，uUV=－U 和0共5种电平组成)导通 电平 d/2
第七章 PWM控制技术
• PWM (Pulse Width Modulation)
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• 脉宽调制技术：通过对一系列脉冲的宽度进行 调制，来等效的获得所需要的波形（含形状和 幅值） • 第 5 、 6 章 已 涉 及 PWM 控 制 ， 但 未 明 确 提 出 PWM控制的概念
– 第5章：直流斩波电路 – 第6章：6.1 斩控式调压电路 6.4 矩阵式变频电路
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双极性PWM控制方式（三相桥逆变）
V1 C U N'
Ud 2
Ud 2
+
VD1 V3 VD4 V V6
VD 3 V5 VD6 V2 W
VD 5 N VD 2
+
C
V4
图7-7 三相桥式PWM 型逆变电路
u rU u rV u rW uc
调制 电路
三相的PWM控制公用三角波载波uc 三相的调制信号urU、urV和urW依次相差120° 下面以U相为例进行分析：
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单极性PWM控制方式（单相桥逆变）在ur和uc的交点时
刻控制IGBT的通断
u uc ur
O
wt
uo uof
uo Ud
图7-5 单极性PWM控制方式波形
wt
O -Ud 图6-5
表示uo的基波分量
ur正半周，V1保持通，V2保持断
ur负半周，请同学们自己分析uo=Ud • 当ur>uc时使V4通，V3断，
• 当ur<uc时使V4断，V3通，uo=0
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双极性PWM控制方式（单相桥逆变）
在ur 的半个周期内，三角波载波有正有负，所得PWM波 也有正有负，其幅值只有±Ud两种电平 同样在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制器件的通 断